Maîtriser l'usinage des superalliages : conseils d'experts pour couper les matériaux les plus durs

Gagner un avantage dans le monde concurrentiel de l'usinage d'aujourd'hui exige que les ateliers restent à la pointe de la technologie des outils de coupe. Voici quelques solutions pour les superalliages — des métaux notoirement difficiles à usiner mais courants dans l'aéronautique, l'énergie et le médical.

L'Inconel figure parmi les alliages métalliques les moins usinables qui soient. Il en va de même pour l'Hastelloy, le Nimonic, le Waspaloy et le Rene. Tous contiennent des quantités relativement élevées de nickel, cobalt ou chrome (parfois les trois), et de métaux réfractaires comme le molybdène et le tantale.

Compte tenu de leur ténacité, dureté et résistance à la chaleur et à l'usure extrêmes, il n'est pas surprenant que ces métaux importants portent le titre élevé de « superalliages ».

L'Inconel 718, par exemple, est largement utilisé pour fabriquer les composants de la section chaude des turbines à gaz, c'est pourquoi il est étiqueté superalliage résistant à la chaleur (HRSA).

Le Monel K-500 est hautement résistant à la vapeur et à l'eau de mer, ce qui en fait un favori pour les applications marines.

Le cobalt-chrome (CoCr), quant à lui, est utilisé pour tout, des bridges dentaires et genoux artificiels aux éoliennes et alliances.

Il existe trois classes générales de superalliages : à base de nickel, à base de cobalt et à base de fer. La plupart sont propriétaires, développés par des entreprises comme Haynes International et Special Metals Corporation (SMC) pour l'usage aéronautique, et pour des environnements extrêmement chauds, froids ou corrosifs. Comme noté, tous sont difficiles à usiner, nécessitant des équipements rigides et des outils de coupe conçus pour ces matériaux exigeants.

Fraises, forets et plaquettes de tournage

Heureusement, les ateliers prêts à affronter les HRSAs et autres superalliages ont aujourd'hui beaucoup d'outils de coupe parmi lesquels choisir.

Les trois fabricants d'outils de coupe interrogés pour cet article offrent tous des fraises, forets et plaquettes de tournage conçus spécifiquement pour de tels matériaux difficiles, tout comme d'autres fournisseurs. La mise en garde, dans chaque cas, est que différentes tactiques d'usinage pourraient être nécessaires si les ateliers veulent exploiter ces outils à leur plein potentiel.

Par exemple, KYOCERA SGS Precision Tools Inc. propose sa série Multi-Carb, dont l'ingénieur d'application Jacob Rak note qu'elles sont disponibles avec 7, 9 ou 11 dents et possèdent un noyau très épais pour la rigidité.

« Il y a des ans, l'approche conventionnelle avec les superalliages était d'utiliser des fraises avec moins de dents et d'attaquer agressivement, » dit-il. « Mais nous avons vu, avec nos tests internes ainsi que nos clients aéronautiques, que des outils avec un nombre de dents plus élevé, appliqués à des profondeurs de passe radiales assez légères et des vitesses de coupe basses à modérées, sont extrêmement efficaces dans les superalliages. »

Selon le matériau spécifique, Rak recommande généralement de commencer avec une profondeur de passe radiale (DOC) ne dépassant pas 5 % du diamètre de l'outil. Cela suppose, bien sûr, qu'une stratégie d'usinage à haute efficacité (HEM) ou de fraisage dynamique est utilisée, car celles-ci servent à amincir le copeau et réduire la chaleur dans la zone de coupe.

« Nous sommes montés jusqu'à 20 % de DOC avec un outil à 9 dents et cela a très bien fonctionné, » dit-il. « La clé est d'utiliser ces trajectoires d'outils à haute efficacité pour répartir les forces de coupe et prévenir tout pic de charge sur l'outil. »

Utiliser un outil à noyau épais

Rak réitère le besoin d'un outil à noyau épais, car cela réduit la déflexion courante dans l'usinage des superalliages. Derek Nading, ingénieur d'application chez M.A. Ford Mfg. Co. Inc., est du même avis, qui commence généralement par la fraise TuffCut XT9 (série 380) de la société face à une application difficile en superalliage.

« La XT9 est une fraise à 9 dents, pas variable, hélice 37 degrés que nous avons conçue pour un grand compte aéronautique comme un spécial il y a plusieurs années, » dit-il. « Nous avons rapidement constaté qu'elle offrait une performance inégalée dans les superalliages résistants à la chaleur, donc après quelques ajustements supplémentaires — un revêtement à base de TiAlSiN (ALtima Xtreme) parmi eux — nous en avons fait une offre standard. »

Comme SGS et d'autres fabricants d'outils de coupe, M.A. Ford suggère également qu'une stratégie de fraisage trochoïdal est la voie claire à suivre pour l'usinage des superalliages.

« Avec les avancées dans les machines-outils et leurs systèmes de commande ces dernières années, la technologie de fraisage dynamique, associée au carbure revêtu, vous donne la meilleure durée de vie d'outil et taux d'enlèvement de matière possible, » déclare Dirk Dietsch, responsable régional pour la région des Grands Lacs chez M.A. Ford.

« Cependant, ce ne sont pas les seuls avantages du fraisage dynamique, » ajoute-t-il. « Il fournit aussi des forces de coupe plus faibles, une meilleure qualité de surface de pièce, une réduction de la chaleur critique dans la pièce, ainsi que le processus le plus constamment sûr contre la rupture catastrophique de l'outil de coupe. »

Garder votre outil au frais

Les deux spécialistes d'outils de coupe insistent sur le besoin d'un montage rigide et d'une machine-outil tout aussi robuste, tout comme Steve Archambault, responsable produit régional chez Kennametal Inc. Quand on lui demande laquelle des fraises de la société est la meilleure pour un usinage réussi des superalliages, il énumère plusieurs possibilités mais met en avant la HARVI 1 TE comme premier choix.

« Il y a des astuces dans sa conception qui permettent à la HARVI 1 TE de tourner plus souplement et avec moins de frottement, » dit-il. « Dans ces alliages haute température, cette dernière partie — chaleur et frottement — est un énorme problème. Avec un dégagement excentrique facetté, un évacuation de copeau spéciale et un noyau parabolique pour la résistance, cet outil a tous les attributs nécessaires pour une coupe efficace des superalliages. »

Greg Sage, responsable produit régional pour le tournage chez Kennametal, souligne rapidement que le carbure monobloc n'est pas le seul jeu en ville pour l'usinage des superalliages ; il y a aussi la céramique.

Sage rejoint les autres sur la rigidité mais ajoute qu'elle est particulièrement nécessaire avec des outils comme les fraises monoblocs en céramique de Kennametal, et dans les applications de tournage où de la céramique ou du PCBN (nitrure de bore cubique polycristallin) est utilisé.

« Donnée une configuration rigide, des grades comme notre céramique KYS25 peuvent atteindre des vitesses de coupe de 700 sfm ou plus dans les superalliages, augmentant considérablement le débit, » dit Sage. « Et pour les opérations de finition, les plaquettes de tournage PCBN KB1630 de Kennametal font un travail fantastique. Ce qui est important, cependant, c'est que les ateliers se souviennent qu'il y a beaucoup d'options, et qu'ils devraient contacter leur fournisseur d'outils de coupe pour obtenir du soutien quand ils décident lesquelles utiliser et comment les appliquer. »

Rendre les montages super

Les fabricants d'outils de coupe vous diront qu'un grade et une géométrie spécifiques au matériau, un montage rigide et la bonne machine-outil sont tous nécessaires pour un usinage réussi des superalliages résistants à la chaleur comme l'Inconel et l'Hastelloy.

Ils ont raison, bien sûr, mais il y a plus à l'histoire des HRSAs que cela.

Si le foret ou la fraise le permet, utiliser un fluide de coupe filtré, bien entretenu, à travers l'outil à des pressions de 70 bar ou plus (1 000 psi) est également conseillé. Bien sûr, cette affirmation s'applique aussi bien aux matériaux moins exigeants, tout comme pour la plupart des opérations de tournage.

La construction du porte-outil mérite aussi une attention particulière. Comme l'arrachement d'outil est une préoccupation lors du dégrossissage des superalliages, du titane et même de l'aluminium, un porte-outil anti-glissement Haimer Safe-Lock ou comparable est un bon investissement. De même qu'un système d'équilibrage d'outil. Comme tout machiniste le sait, éliminer la concentricité et les vibrations est clé pour prolonger la durée de vie d'outil et améliorer la qualité de pièce ; l'une des meilleures façons d'y parvenir — en plus d'utiliser des porte-outils hydrauliques, mécaniques ou shrink-fit de haute qualité — est d'équilibrer l'assemblage complet porte-outil avant utilisation.

Suivez ces étapes, et vous constaterez bientôt que les superalliages ne sont pas si super difficiles après tout.

Quels conseils et techniques pouvez-vous offrir sur l'usinage des superalliages ? Partagez vos réflexions et idées dans les commentaires ci-dessous.

Comment gérez-vous l'usinage des matériaux difficiles à couper ?

Alors que les fabricants cherchent à prendre l'avantage dans un marché mondial difficile, comprendre comment usiner certains métaux est vital.

Les techniques d'usinage des superalliages — des métaux notoirement difficiles à usiner mais courants dans l'aéronautique, l'énergie et le médical — sont donc utiles à connaître.

Aidez les autres à gagner des insights sur l'usinage de ces matériaux en participant à notre sondage.

Quelles techniques d'usinage des superalliages trouvez-vous les plus utiles ?